分子间力理论发展历程
国防科技大学 吴文健教授
在物质的聚集态中,分子与分子间存在着一种较弱的吸引力。这种吸引力是导致实际气体并不完全符合理想气体状态方程式的原因之一。1873年,van derWaals注意到这种力的存在,在研究气体性质时考虑这种力的影响和分子本身的体积,提出了著名的van der Waals状态方程式,荣获1910年Nobel物理奖。因此,一般就把这一类分子间作用力称为van der Waals力,它是决定物质的沸点、熔点、气化热、熔化热、溶解度、表面张力、粘度等物理化学性质的主要因素之一。
关于van der Waals力的本质,直到40年以后才有人开始研究。1912年,Keesom提出van der Waals力就是极性分子的偶极矩间的引力。1920~1921年,Debye认为,除了极性分子间的作用力外,极性分子与非极性分子之间也有作用力,这是由于非极性分子被极化而产生诱导偶极矩之故。但是,这两种作用力还不能说明为什么非极性分子之间也有吸引力。直到1930年,London提出van der Waals引力的量子力学理论,人们才对这一作用力的本质有了较深入的了解。
van der Waals力的量子力学理论提出后的30年中,由于某些数学问题没有解决,一直未能作出全面的一般处理。唐敖庆和他的合作者从解决数学问题入手对van der Waals力的理论作了全面处理,使Keesom力、Debye力和London力都能包括在他们的统一处理中。他们证明,在二级近似处理中(用量子力学处理vander Waals力,只能用近似解法,随着准确程度的增加,依此称为一级、二级、三级、……近似处理),分子间的吸引力是有加和性的,例如A、B和C三个分子,总的作用力即等于A-B、B-C和C-A三对作用力的加和;但在三级近似处理中,除了上述三对作用力外,还有属于A-B-C三个分子间一起相互作用的力存在。这种“三分子作用力”是前人所没有提出过的。目前,关于分子间作用力的实验,还没有达到足以验证三分子作用力理论的精确程度,但估计在将来可能会有应用。
唐敖庆是中国卓越的教育家和科学家。1915年11月18日生于江苏省宜兴县,1936年以优异的成绩考入北京大学化学系,1940年毕业留校任教并从事科学研究。1946年赴美,1949年11月在哥伦比亚大学化学研究所获物理化学博士学位。1950年1月回国在北京大学任教,1952年到吉林大学的前身-东北人民大学去艰苦创业,1956年任吉林大学副校长,1978年任校长兼理论化学研究所所长,后任名誉校长、名誉所长。1955年受聘为中国科学院数学物理学化学部学部委员,1981年当选为中国科学院学部主席团成员,同年当选为国际量子分子科学研究院院士。1981年被任命为国务院学位委员会委员,1982年当选为中国化学会第21届理事会理事长(后又任第23届理事长),曾任第三届中国科协副主席,1986年任国家自然科学基金委员会主任,1992年任国家自然科学基金委员会名誉主任。
主要从事量子化学及高分子物理化学方面科研和教学工作,与其科研集体合作完成8部专著,发表300余篇论文,先后获得4项国家自然科学奖,其中2项一等奖、1项二等奖、1项三等奖,并获1993年度陈嘉庚化学奖与1995年度何梁何利科学与技术成就奖。50年代,唐敖庆在美国著名量子化学家皮泽提出的“分子内旋转”公式的基础上,提出了一个可以计算许多复杂分子内旋转的能量变化规律的公式,即“势能函数公式”,利用这个公式可以推算出物质的一些性质,为从结构上改变物质的性能提供了比较可靠的依据。1955年,这项研究成果公开发表后,美国著名量子化学家威尔逊给予很高评价。在高分子反应统计理论方面,唐敖庆和他的研究集体在“缩聚、加聚与交联反应统计理论”研究上获得了重要成果。唐敖庆和他的同事还创造性地发展和完善了配位场理论及其研究方法,在分子轨道图形理论方法及其应用的研究方面,得到了国内外学术界的好评和广泛应用,被誉为中国学派的分子轨道图形理论。1978年,由他创建的吉林大学理论化学研究所,是国内的理论化学研究中心,在国际上有一定影响。
唐敖庆教授是一位德高望重、诲人不倦、功绩卓越的教育家,重视培养理论化学方面的专门人才,为国家培养了大批中、高级理论化学人才和学术带头人,其8名学生于1991年、1993年被增选为中国科学院院士。
原则上,只要Schrdinger方程能解出分子的电子结构,各种类型的分子间力都可得以解释。但是,确定电子结构并不是一个容易解决的问题,还必须区分各种类型,综合运用理论的和半经验的方法来进行研究。总体来说,分子间力的理论没有化学键理论那样成熟。